JP4542443B2

JP4542443B2 - 伝熱装置

Info

Publication number: JP4542443B2
Application number: JP2005028462A
Authority: JP
Inventors: 和久谷川; 登志巳槐島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2025-02-04
Also published as: JP2006216806A

Description

本発明は、ペルチェ効果を有する熱電素子を使用した伝熱ユニットを所定の支持基体に取り付けた伝熱装置に関するものであり、特に、電子機器の内部で発生し放熱部まで輸送された熱を効率良く放熱するための伝熱装置に関するものである。

ポータブルコンピュータのような携帯形電子機器は、文字、音声および画像のような多用のマルチメディア情報を処理するためのMPU (Micro Processing Unit)を装備している。この種のMPUは、情報の処理速度の高速化や多機能化に伴って消費電力が増加の一途を辿り、動作中の発熱量もこれに比例して急速に増加する傾向にある。さらに、ディスプレイ装置を有するデスクトップ型コンピュータなどでは、高機能化に加えて、小型化、薄型化が要求されており、電子機器の発熱密度は増加の一途をたどっている。

そのため、MPUの安定した動作を保証するためには、MPUの放熱性を高める必要があり、それ故、ヒートシンクやヒートパイプのような様々な放熱・冷却手段が必要不可欠な存在となる。

これらの問題に対応するため、近年では、空気よりも遥かに高い比熱を有する液体を熱輸送流体（冷却液）として利用し、MPUの冷却効率を改善しようとする、いわゆる液冷による冷却方式が試されている。

例えば、特許文献１には、ディスプレイ一体型コンピュータのMPUを冷却する手段として、マザーボードなどの発熱部に受熱部を固定し、冷却液が循環供給される冷却チューブを受熱部に接続し、この冷却チューブを、液晶ディスプレイの背面に隙間をおいて配されたシャシーの表面に固定することにより、発熱部での発生熱をシャシー表面に固定したチューブ及びシャシーを通して放熱する液冷冷却方式が提案されている。

また、特許文献２には、MPUに熱的に接続された受熱部と、ディスプレイユニットに熱的に接続された放熱部とを設け、この受熱部の内部及び放熱部の内部に、液状の冷却液が流れる流路が形成されている電子機器が提案されている。かかる電子機器の液冷却方式では、受熱部の冷却液流路と放熱部の冷却液流路とは、冷却液を循環させる循環経路を介して互いに接続されており、MPUの熱は、受熱部から冷却液に伝えられた後、この冷却液の流れに乗じて放熱部に移送され、放熱部に移された熱は、冷却液が流路を流れる過程で熱伝導により拡散され、この放熱部からディスプレイユニットを通じて大気中に放出されるようになっている。
特開２００２−１８２７９６号公報特開２００２−３７４０８４号公報

しかしながら、従来の液冷冷却方法では、熱輸送流体である冷却液に蓄えられた熱を放熱部で雰囲気に効率的に放出させるため、伝熱面積を確保するためにチューブ状の細い流路を用いている。このため、流路での圧力損失によって、冷却液の循環装置に負荷がかかり、循環させる冷却液の流量が制限されていた。冷却液の循環装置を大型化し、冷却液の流量を増加して必要流量を確保することも可能であるが、電子機器そのものの大型化や消費電力の増加を招くため、適用することは困難である。

さらに、従来の方法では、放熱部は雰囲気（空気）の自然対流や送風機を付加した強制対流によって放熱しているため、冷却液の温度を雰囲気温度以下に下げてMPUを強制的に冷却し、電子機器の温度上昇を抑えることが原理的に不可能であった。

従って本発明の目的は、特に電子機器の内部で発生し放熱部まで輸送された熱を効率良く放熱することが可能な伝熱ユニットを取り付けた伝熱装置を提供することにある。

本発明者らは上記課題を解決するために、放熱部における熱輸送流体と雰囲気との間の伝熱方法について種々の検討をしていたところ、伝熱面を振動することで放熱部の表面に生じる熱輸送流体の温度境界層を効果的に除去し、伝熱効率を向上させることができることを見出し、さらに、熱伝素子を用いることで一層伝熱効率を向上させることができることを見出し、本発明に到達した。

本発明の伝熱装置は、支持基体と、該支持基体の一方の面に配置された第１の伝熱ユニットと、該支持基体の他方の面に配置された第２の伝熱ユニットとを有し、前記第１の伝熱ユニット及び前記第２の伝熱ユニットは、熱電素子と、該熱電素子の吸熱伝熱面に取り付けられた冷却用伝熱基板と、前記熱電素子の放熱伝熱面に取り付けられた放熱用伝熱基板とから成り、前記冷却用伝熱基板及び前記放熱用伝熱基板の少なくとも何れかに振動子が設けられてなるとともに、これらの伝熱ユニットは、何れも前記振動子を介して前記支持基体の一方の面或いは他方の面に接合されており、前記第１の伝熱ユニットの前記振動子の振動と前記第２の伝熱ユニットの前記振動子の振動とは、周波数が同一で且つ振動の位相が逆位相に設定されていることを特徴とする。

本発明においては、
（１）前記第１の伝熱ユニット及び前記第２の伝熱ユニットは、何れも前記冷却用伝熱基板が前記振動子を介して前記支持基体に接合されていること、
（２）前記振動子が圧電素子であること、
（３）前記冷却用伝熱基板及び前記放熱用伝熱基板がセラミックス製基板であること、
（４）前記冷却用伝熱基板の表面上に、冷却すべき第１の熱輸送媒体が流され、前記放熱用伝熱基板の表面上に、該基板から放熱される第２の熱輸送媒体が流されることにより、冷却媒体である第１の熱輸送媒体から第２の熱輸送媒体（例えば空気）への放熱が行われること、
が好ましい。

本発明の伝熱装置においては、冷却媒体である第１の熱輸送媒体に接する冷却用伝熱基板あるいは放熱媒体である第２の熱輸送媒体と接する放熱用伝熱基板を振動子で振動させることにより、伝熱基板の表面に形成される熱輸送媒体の温度境界層を効果的に除去し、第１の熱輸送媒体から第２の熱輸送媒体への伝熱を促進することができる。

これにより小型の放熱部で十分な放熱が可能となり、伝熱面積を確保するためのチューブ状の細い流路を用いる必要がなくなる。

さらに、熱伝素子を用いて伝熱を行っているため、第１の熱輸送媒体を第２の熱輸送流体の平均温度以下に冷却することが可能となり、発熱部の冷却性能を一層向上させことができる。

特に、上記振動子として圧電素子を用いた場合には、応答性が良好となり、振動数や振幅、振動の位相を容易に調整できる、また冷却用或いは放熱用伝熱基板としてセラミックス製基板を用いた場合には、腐食性が高い流体であっても熱輸送媒体として安定して用いることができる。

また、本発明の伝熱装置では、一方の面に設けられている振動子と他方の面に設けられている振動子とが、その振動の周波数が同一で且つ逆位相に設定されているため、支持基体に生じる振動の反作用を打ち消しあい、振動に伴う騒音を大幅に低減することができる。

以下、本発明を、添付図面に示す具体例に基づいて説明する。
図１は、本発明の伝熱装置に用いる伝熱ユニットの構造を示す概略断面図であり、
図２は、図１の伝熱ユニットの要部である熱電素子を拡大して示す図であり、
図３は、図１の伝熱ユニットを所定の支持基体に取り付けて使用する伝熱装置の構造を示す概略断面図である。

図１を参照して、全体として１で示す本発明の伝熱装置に取り付けられる伝熱ユニットは、熱電素子３を備えており、この熱電素子３の吸熱伝熱面３ａ（高温側伝熱部となる）に冷却用伝熱基板５が設けられ、熱電素子３の放熱伝熱面３ｂ（低温側伝熱部となる）には、放熱用伝熱基板７が設けられている。

熱電素子３は、ペルチェ素子とも呼ばれ、熱電素子半導体／金属に電流を流すことにより冷却作用（または加熱作用）を示すデバイスであり、それ自体公知である。即ち、この熱電素子３の構造を説明するための図２を参照して、この熱電素子３は、Ｐ型半導体素子１０とＮ型半導体素子１１とを電極１３によって交互に直列に接続した構造を有するものであり、図２に示すように電源１５を用いて電流を流すことにより、その下部の接合部で吸熱反応を生じて吸熱伝熱面３ａが形成され、この部分に冷却用伝熱基板５が接合され、上部の接合部では発熱反応を生じて放熱伝熱面３ｂが形成され、この部分に放熱用伝熱基板７が接合される。この場合、電流の流れを逆方向とすると、吸熱伝熱面３ａは上部の接合部に形成され、このため、上部に冷却用伝熱基板５が接合され、発熱伝熱面３ｂは下部の接合部に形成され、下部に放熱用伝熱基板７が接合されることとなる。

従って、冷却すべき媒体となる第１の熱輸送媒体Ａは、図１において、下部の冷却用伝熱基板５に接するように流され、放熱のための第２の熱輸送媒体Ｂは、上部の放熱用伝熱基板７に接するようにして流される。この場合、第１の熱輸送媒体Ａと第２の熱輸送媒体Ｂとは互いに接触しないように流される。尚、図１においては、電極１３や電源１５は省略されている。

上記のような本発明の伝熱装置に取り付けられる伝熱ユニット１において、熱電素子３を形成するＰ型或いはＮ型半導体としては、それ自体公知のものであってよく、例えばビスマス（Ｂｉ）−テルル（Ｔｅ）に微量のアンチモン（Ｓｂ）やセレン（Ｓｅ）を添加したものなどが使用される。また、電極１３としては、銅などが使用され、冷却用伝熱基板５や放熱用伝熱基板７は、半田等の接着材により接合される。

さらに、冷却用伝熱基板５及び放熱用伝熱基板７は、高熱伝導性の材料、例えば金属などで形成されていてよいが、一般的には、熱伝導性の高いセラミックスで形成されていることが好ましく、特にＡｌＮやＳｉ_３Ｎ_４などが好適に用いられる。即ち、冷却用伝熱基板５及び放熱用伝熱基板７は、熱輸送媒体Ａ或いはＢと接触するため、金属製のものを用いたときには、熱輸送媒体Ａ，Ｂの種類が限定され、腐食性の高い媒体（例えば水等）は使用することができない。しかし、これらの基板５，７としてセラミックス製基板を用いた場合には、耐腐食性が良好であるため、腐食性の媒体をも熱輸送媒体Ａ，Ｂとして使用することが可能となるからである。特に冷却用伝熱基板５はセラミックス製基板であることが最も好適である。

本発明において、第１の熱輸送媒体Ａは、この伝熱ユニット１において冷却される媒体であり、各種電子装置の発熱部の冷却等に使用される冷却媒体、例えば水、エチレングリコールなどが使用される。また第２の熱輸送媒体Ｂは、放熱に使用される媒体であり、通常、大気（空気）が使用される。

また、図１において、冷却用伝熱基板５及び放熱用伝熱基板７は、伝熱面積を大きくするために、熱電素子３に比して大面積に形成されているが、これら基板５，７の間の空間には、通常、ゴム等の電気絶縁性材料１７が充填されており、電流のリークを防止し得るようになっている。また、熱電素子３との電気絶縁性が確保されるのであれば、金属のような高熱伝導性材料が充填されていてもよい。

このような本発明の伝熱装置に取り付けられる伝熱ユニット１では、図１に示されているように、冷却用伝熱基板５に振動子２０が半田等の接着材により取り付けられており、この振動子２０は、所定の支持基体２１に接着固定されていることが重要な特徴である。即ち、このような振動子２０を用いて振動を与えながら熱電素子３による冷却及び放熱を行うと、冷却用伝熱基板５の表面に形成される第１の熱輸送媒体Ａの温度境界層を効果的に除去することができ、第１の熱輸送媒体Ａから第２の熱輸送媒体Ｂへの伝熱を促進することができるのである。

振動子２０としては、種々のタイプのものが使用でき、例えば電磁モーターであってもよいが、本発明においては、応答性が高く、振動数、振動の位相を容易に制御できることから、圧電素子を振動子２０として用いることが望ましい。このような圧電素子は、例えばペロブスカイト型圧電セラミックスなどからなる圧電体層と電極層とを交互に複数積層した構造を有するものであり、一つの圧電体層の上部の電極層と下部の電極層とに異なる極性の電位を与えることにより、その厚み方向に振動を与えるものである。尚、図１において、このような振動子２０を駆動させる電源等は省略されている。尚、電源と熱電素子との電気的接続は、リード線やフレキシブル基板などの柔軟な素材を用いて行うことが望ましい。

上記の振動子２０が取り付けられる支持基体２１は、例えば電子機器の筐体やマザーボード、放熱部の熱輸送流体溜めとなる放熱部の筐体壁などであってよいが、一般的には、こちらの側に冷却媒体である第１の熱輸送媒体Ａが流されることから、マザーボードや放熱部の筐体壁であることが好適である。

また、本発明において、振動子２０の数は特に制限されず、１個であってもよいし、図１に示されているように２個であってもよいし、あるいはそれよりも多数であってもよく、用いる冷却用伝熱基板５の大きさ等に応じて、温度境界層を効果的に除去することができるように適宜の数とすればよい。さらに、振動子２０は、冷却用伝熱基板５に設ける代わりに放熱用伝熱基板７に設けることもできる。この場合、振動子２０が接着固定される支持基体２１は、電子機器の筐体とすることが望ましい。勿論、振動子２０を冷却用伝熱基板５と放熱用伝熱基板７との両方に設けることも可能である。

上述した構造を有する伝熱ユニット１は、複数個を、各種電子機器の内部に取り付けて伝熱装置として使用することが特に好適である。図３には、このような伝熱装置の概略構造を示した。

図３において、かかる伝熱装置では、例えば各種電子機器における放熱部の筐体壁などとなる支持基体２１の両面に、前述した構造の伝熱ユニット１が設けられる。即ち、支持基体２１の両面には、それぞれ、振動子２０を介して、上述した伝熱ユニット１の冷却用伝熱基板５が接合された構造となっており、この支持基体２１と冷却用伝熱基板５との間に冷却媒体となる第１の熱輸送媒体Ａが流され、各伝熱ユニット１の放熱用伝熱基板７側の面に放熱用媒体となる第２の熱輸送媒体Ｂが流される。

このような本発明の伝熱装置では、支持基体２１の一方の面に設けられている伝熱ユニット１（第１の伝熱ユニット）の振動子２０ａと、支持基体２１の他方の面に設けられている伝熱ユニット１（第２の伝熱ユニット）の振動子２０ｂとが、その振動の周波数が同一で且つ位相が逆位相（即ち、位相が１８０度ずれている）となるように設定される。このように振動子２０の振動を制御しておくことにより、支持基体２１に生じる振動の反作用が打ち消され、振動に伴う騒音を大幅に低減することが可能となる。

また、支持基体２１の一方の面に設けられている振動子２０ａと他方の面に設けられている振動子２０ｂとは、互いに対面するように、対応する位置に設けることが、支持基体２１での振動の反作用を確実に打ち消すために最も好適である。

さらに、図３の伝熱装置では、支持基体２１の両面には、それぞれ、振動子２０を介して、冷却用伝熱基板５が接合された構造となっているが、冷却媒体となる第１の熱輸送媒体の流す位置などによっては、支持基体２１の両面に、放熱用電熱基板７が振動子２０を介して接合された構造とすることも可能である。

さらに、上述した図１及び図３の具体例においては、支持基体２１が平板上に示されているが、このような形状に限定される必要はない。

上述した本発明の伝熱装置では、熱電素子を用いているため、伝熱面積が大きく、冷却及び放熱効果が極めて大きく、しかも振動子を用いているため、このような冷却及び放熱効果はさらに増大している。このような本発明の伝熱装置では、例えば高発熱のMPUを備えた電子機器内部の冷却に好適であるが、発熱密度の大きな他の電子機器、例えば、パワーアンプ等の冷却に適用してもよいことは言うまでもない。

本発明の伝熱装置に取り付けられる伝熱ユニットの構造を示す概略断面図。図１の伝熱ユニットの要部である熱電素子を拡大して示す図。図１の伝熱ユニットを所定の支持基体に取り付けて使用する伝熱装置の構造を示す概略断面図。

符号の説明

１：伝熱ユニット
３：熱電素子
３ａ：吸熱伝熱面
３ｂ：放熱伝熱面
５：冷却用伝熱基板
７：放熱用伝熱基板
２０：振動子
２１：支持基体
Ａ：第１の熱輸送媒体
Ｂ：第２の熱輸送媒体

Claims

支持基体と、該支持基体の一方の面に配置された第１の伝熱ユニットと、該支持基体の他方の面に配置された第２の伝熱ユニットとを有し、前記第１の伝熱ユニット及び前記第２の伝熱ユニットは、熱電素子と、該熱電素子の吸熱伝熱面に取り付けられた冷却用伝熱基板と、前記熱電素子の放熱伝熱面に取り付けられた放熱用伝熱基板とから成り、前記冷却用伝熱基板及び前記放熱用伝熱基板の少なくとも何れかに振動子が設けられてなるとともに、これらの伝熱ユニットは、何れも前記振動子を介して前記支持基体の一方の面或いは他方の面に接合されており、前記第１の伝熱ユニットの前記振動子の振動と前記第２の伝熱ユニットの前記振動子の振動とは、周波数が同一で且つ振動の位相が逆位相に設定されていることを特徴とする伝熱装置。
前記第１の伝熱ユニット及び前記第２の伝熱ユニットは、何れも前記冷却用伝熱基板が前記振動子を介して前記支持基体に接合されている請求項１に記載の伝熱装置。
前記振動子が圧電素子である請求項１または２に記載の伝熱装置。
前記冷却用伝熱基板及び前記放熱用伝熱基板がセラミックス製基板である請求項１乃至３の何れかに記載の伝熱装置。
前記冷却用伝熱基板の表面上に、冷却すべき第１の熱輸送媒体が流され、前記放熱用伝熱基板の表面上に、該基板から放熱される第２の熱輸送媒体が流される請求項１乃至４の何れかに記載の伝熱装置。